Les premiers êtres vivants

1 De l'hétérotrophie à l'autotrophie

Si l'océan Atlantique est vert de ses milliards d'algues microscopiques, c'est que son phytoplancton produit par unité de surface à peu près autant de matière végétale que les prairies qui la bordent. La mer Méditerranée par contre est très bleue: elle reflète fort le bleu du ciel car son eau est transparente, donc pauvre en algues planctoniques. Or le ciel n'a pas toujours été bleu. Bien plus, le bleu du ciel est né du vert de la mer!

Il y a plus de 3 milliards d'années, à l'époque où l'atmosphère terrestre ne comportait pas la moindre trace d'oxygène, les océans constituaient une "soupe primitive" dont les molécules organiques, synthétisées de manière abiotique, nourrissaient des êtres vivants microscopiques qui les consommaient par fermentation en dégageant du CO₂: ces êtres étaient hétérotrophes . Au début, ces molécules se trouvaient dans la "soupe" diluée environnante, mais à mesure qu'elles se faisaient plus rares, la compétition pour leur consommation devint de plus en plus acharnée: certains êtres en vinrent à dévorer leurs voisins afin de se nourrir.

D'autres développèrent des moyens pour capter l'énergie provenant d'autres sources: ce furent les premiers organismes autotrophes, qui pouvaient fabriquer leur propre nourriture à partir de petites molécules inorganiques. L'apparition de l'autotrophie était extrêmement importante pour l'évolution de la vie, car elle libérait le monde vivant de sa dépendance face à la lente production de nourriture par les moyens abiotiques. Le nombre d'organismes vivant sur terre pouvait dès lors fortement augmenter.

De nombreuses bactéries autotrophes synthétisent toujours aujourd'hui leur matière organique (c'est-à-dire fixent le CO₂ dans des composés organiques) en utilisant l'énergie provenant, non pas de la lumière, mais de réactions chimiques inorganiques : c'est la chimiosynthèse.

Néanmoins, la forme actuelle la plus répandue d'autotrophie est la photosynthèse , qui permet d'hydrolyser la molécule d'eau grâce à un super-oxydant généré par l'action de l'énergie lumineuse sur la molécule de chlorophylle; l'hydrogène libéré par l'hydrolyse d'H₂O est fixé sur le CO₂ pour former du glucose, l'oxygène provenant de l'hydrolyse étant produit.

Ainsi donc, grâce à un filtre vert, la chlorophylle, la première algue était née, et avec elle le rejet d'oxygène, gaz polluant peu à peu l'atmosphère primitive au point de lui donner une teinte bleue. De fait, pratiquement tout l'O₂ de l'atmosphère actuelle provient de la dissociation de l'eau par photosynthèse. Cette pollution fut une véritable catastrophe : pour les minuscules êtres primitifs, l'oxygène était un dangereux poison et la plupart des espèces disparurent? D'autres s'enfuirent sous l'eau ; on les trouve encore de nos jours dans la vase: ce sont les organismes anaérobies, littéralement "vivant sans air", c'est-à-dire sans oxygène.

Mais ces reclus de l'évolution ignorent le recyclage des déchets, à savoir la respiration cellulaire, voie métabolique de la récupération d'énergie des composés organiques probablement sélectionnée à cette époque.

2 Thermorégulation de la planète

Notre planète est intermédiaire entre une terre de feu et une terre de glace. Qu'arriverait-il si nous étions capables de la faire se rapprocher quelque peu du soleil ?

Les océans s'échaufferaient et il y aurait de plus en plus de vapeur allant grossir l'atmosphère ; cette vapeur agirait d'abord comme la vitre d'une serre qui empêcherait la chaleur de se dissiper dans l'espace. La terre s'échaufferait de plus belle jusqu'à ce que les océans s'assèchent et que les roches carbonatées, comme le calcaire et la dolomie, commencent à cuire et libèrent du dioxyde de carbone.

L'effet de serre provoqué par ce gaz est bien connu aujourd'hui : à force de consommer les hydrocarbures fossiles, il y a suffisamment de CO₂ émis pour que le climat s'échauffe de façon tangible. Les roches carbonatées en contiennent des milliards et des milliards de tonnes, ce qui suffirait à notre planète pour faire une "serre en fuite" dans le cosmos. En fin de compte, notre planète deviendrait une soeur jumelle de notre voisine infortunée qu'est Vénus, situé un peu plus près du soleil: ce serait un enfer gazeux et desséché, à la surface complètement recouverte de nuages, oppressé par une atmosphère de CO₂ de forte densité et assez chaude pour que le plomb soit à l'état liquide.

Supposons maintenant qu'on puisse éloigner la terre du soleil. Notre planète se refroidirait et les glaciers venus du Canada, d'Europe et de Sibérie descendraient vers le Sud et la calotte antarctique remonterait vers le Nord. La glace réfléchirait davantage le rayonnement solaire vers l'espace, ce qui accélérerait le refroidissement. Peu à peu, la glace s'étendrait jusqu'à l'équateur et la surface terrestre serait éclatante de reflets, mais les océans ne seraient que glace.

C'est ainsi que le climat de la terre est en équilibre précaire, si précaire que beaucoup de géologues pensent que des variations cycliques et infiniment faibles seraient suffisantes pour qu'on revienne à l'âge glaciaire.

Mais qu'on se rassure, les géologues ont aussi découvert des microbes marins fossilisés dans des roches datant de 3,5 milliards d'années, ce qui signifie que depuis ses origines, la terre est demeurée relativement ce qu'elle est aujourd'hui.

Peut-être est-ce dû à un heureux hasard que la terre se soit formée à une distance respectable du soleil et que les océans soient demeurés liquides, sinon nous ne serions pas là pour en jouir. Malheureusement, les astrophysiciens affirment que les choses ne sont pas si simples.

D'après eux, le soleil est une étoile stable et tranquille. Mais comme toutes les étoiles, il va en se réchauffant. En fait, il est 40 % plus éclatant qu'au moment où la terre s'est formée. Alors, comment se fait-il que le climat terrestre soit resté si constant ? Si le soleil a réellement été plus froid qu'aujourd'hui, les océans d'antan auraient dû être de glace, ce qui ne s'est pas produit. D'un autre côté, si les océans étaient alors liquides, pourquoi le réchauffement solaire ne les aurait-il pas fait bouillir comme c'est encore le cas pour Vénus ?

Une autre théorie, défendue par beaucoup de biologistes, veut que l'atmosphère primitive ait été beaucoup plus riche en CO₂ qu'aujourd'hui ; l'effet de serre a donc été suffisant pour que la terre demeure chaude alors que le soleil était plus froid. Si rien ne s'était produit, l'effet de serre nous aurait transformés en vénusiens. Mais heureusement pour nous, il y a 3 milliards d'années, certaines cyanobactéries (= algues bleu-vert ou cyanophycées) trouvèrent le moyen d'utiliser le CO₂ pour fabriquer des composés organiques carbonés grâce à l'énergie de la lumière solaire, ce qu'on appelle la photosynthèse. Avec le temps, les algues et leurs descendants (les autres végétaux) ayant évolué et s'étant multipliés, la concentration en CO₂ a diminué, ce qui a laissé la terre en paix face à un soleil de plus en plus chaud. C'est ainsi que les biologistes concluent en disant que "la vie est venue au secours de la vie !"

3 Conséquences de l'apparition d'oxygène gazeux

Lorsqu'avec l'apparition de la photosynthèse, libérant le monde de la lente production de nourriture formée par voie abiotique, l'oxygène gazeux O₂ apparut, l'atmosphère terrestre acquit la composition qualitative que nous connaissons actuellement.

Les conséquences de la présence d'O₂ furent importantes :

Les molécules organiques générées spontanément à partir de substances inorganiques (cf expérience de Miller) étaient immédiatement détruites, par oxydation, par ce très puissant oxydant qu'est O₂.
La présence d'O₂ permit l'apparition de la respiration, nouvelle voie métabolique permettant à un organisme hétérotrophe de dégrader sa nourriture et d'en tirer l'énergie qui lui est nécessaire.
ces organismes dotés de la respiration métabolisaient immédiatement les molécules organiques générées spontanément à partir de substances inorganiques, rendant dès lors impossible toute nouvelle génération spontanée d'organismes vivants.
Les rayonnements solaires ultraviolets agissent depuis lors comme catalyseur de la décomposition d'O₂ en O + O, lequel oxygène atomique forme avec O₂ de l'ozone O₃. Cet ozone est dispersé sur plusieurs dizaines de km d'altitude. Sa concentration excessivement faible au sol augmente avec l'altitude pour atteindre une concentration maximale vers 30 km d'altitude dans les régions équatoriales et 18 km au niveau des pôles. Néanmoins, O₃ est là encore un gaz rare et si on concentrait tout l'ozone atmosphérique au niveau de la mer, il ne représenterait qu'une mince couche de 3 mm d'épaisseur.
Or, la couche d'ozone arrête la plupart des rayons UV et plus particulièrement la bande de plus faible longueur d'onde (UVc de l = 10 à 280 nm), la plus nocive pour les êtres vivants . Le rayonnement ultraviolet peut provoquer, à des doses à peine supérieures aux moyennes habituelles à la surface de la terre, des cancers de la peau, des cataractes, perturber le système immunitaire, réduire la croissance végétale,... L'apparition d'oxygène puis d'ozone a donc rendu possible la colonisation des terres émergées par les êtres vivants, en les protégeant des effets nocifs des UV solaires.